211service.com
Nauka o wahadłowcu kosmicznym
Tragiczna utrata promu kosmicznego Columbia i jego załogi zaskoczyła naród. Czemu? Nie dlaczego zostało utracone? Dlaczego jego zniszczenie zaskoczyło naród?
Niebezpieczeństwa związane z uruchomieniem lotu wahadłowca są oczywiste. Nikt w zasięgu słuchu nigdy nie zapomni niszczycielskiego ryku. Nawet nieozdobione numery są oszałamiające. W momencie startu rakieta zawiera 1,8 kiloton ciekłego wodoru i tlenu, energię 4 kiloton trotylu, czyli około 20 procent energii bomby, która zniszczyła Hiroszimę. Astronauci surfują w kosmos na szczycie ogromnej, nieustannej eksplozji. Czy można to zabezpieczyć? Prosta odpowiedź: nie.
Równie imponujące są liczby ponownych wpisów. Wahadłowiec ponownie wchodzi z prędkością 18 Macha, czyli 18 razy szybciej niż dźwięk. Gdyby cała energia powietrza wypychanego przez wahadłowiec została zamieniona na ciepło, osiągnęłoby temperaturę równą lokalnej temperaturze atmosferycznej (250 stopni Kelvina) pomnożonej przez 18 do kwadratu; to 80 000 K. Ale nie cała energia jest zamieniana na ciepło; rzeczywista temperatura wynosi tylko 2000 K. Jednak nawet to stanowi około jednej trzeciej temperatury powierzchni Słońca. Hobbyści, którzy fotografują powrót, widzą piękny jasny ślad, podobny do ognistej kuli meteoru, zrobiony z jonów powstałych z intensywnego ciepła powietrza uderzającego w wahadłowiec. Astronauci wyglądający przez okna byli tak samo oczarowani (i może trochę przerażeni), jak ciemne niebo w kosmosie jest ukryte przez jarzącą się gorącą plazmę. Czy taki powrót może być bezpieczny? Nie.
Tylko płytki, głównie na spodzie promu, są przystosowane do przyjmowania takiego ciepła, a nawet one mogą je wytrzymać tylko przez ograniczony czas. Podczas ponownego wejścia, uderzenie powietrza Mach 18 zniszczy statek, chyba że zostanie zachowana ostrożna równowaga i ciepło będzie ograniczone do tych płytek. Jeśli wahadłowiec przewróci się, powietrze szybko słabnie i niszczy cały statek. Nie wiemy jeszcze, co spowodowało przewrócenie promu 1 lutego, a nawet jeśli to zrobimy, nie będziemy mogli zagwarantować, że to się nie powtórzy. Dla mnie niezwykłym osiągnięciem programu kosmicznego jest to, że tylko dwa wahadłowce zostały utracone w 113 misjach.
Niewiele jest zawodów bardziej niebezpiecznych niż praca astronauty. Ale większość społeczeństwa tego nie wie – a raczej nie. Katastrofa Challengera została w dużej mierze zapomniana. Błędne wrażenie, że wahadłowiec jest bezpieczny, jest w dużej mierze dziełem public relations NASA, który dążył do tego, aby loty stały się rutyną. Prom jest tak bezpieczny, że możemy latać senatorami i nauczycielami. Loty wahadłowe są na tyle rutynowe, że możemy na nich wykonywać eksperymenty sugerowane przez uczniów szkół średnich.
Istnieje jeszcze inne błędne przekonanie, że NASA aktywniej się rozprzestrzenia, być może dlatego, że wielu w agencji przekonało się, że to naprawdę prawda. Oto ona: głównym celem promu kosmicznego jest rozwój wiedzy naukowej. Większość naukowców przewraca oczami, słysząc to twierdzenie.
Nie zinterpretuj źle tego, co mówię: istnieje dobra, nawet wspaniała nauka wystrzelona w kosmos na promie. Wyniki uzyskane z Kosmicznego Teleskopu Hubble'a ekscytują fizyków i astronomów tak samo, jak ogół społeczeństwa. Można jednak stwierdzić, że Hubble mógł zostać wystrzelony przy niższych kosztach przez rakiety jednorazowego użytku. Wojsko Stanów Zjednoczonych woli wystrzelić swoje satelity szpiegowskie – bliskich kuzynów teleskopów kosmicznych – za pomocą pojazdów bezzałogowych. Takie satelity nie muszą być kwalifikowane przez człowieka, to znaczy nie wymagają dodatkowych kosztów inżynieryjnych, aby były całkowicie bezpieczne w kosmosie obok ludzi.
To prawda, że Hubble był uszkodzony i wymagał naprawy przez astronautów wahadłowca. Ale wojsko również traci swoje teleskopy szpiegowskie, a jego odpowiedzią jest wystrzelenie zastępczego. Wystrzelenie dwóch zupełnie nowych teleskopów Hubble'a – oryginalnego i zastępczego, z których żaden nie kwalifikuje się do obsługi przez ludzi (a zatem tańszy) – prawdopodobnie byłby mniej kosztowny na dłuższą metę.
Jeśli chodzi o samą naukę, prom kosmiczny to kiepski wybór platform. Ludzie są źródłem hałasu – wibracyjnego, podczerwonego, grawitacyjnego. Wrażliwe eksperymenty muszą od tego uciec. Samo pilotowanie eksperymentu w misji załogowej automatycznie podnosi koszty eksperymentu. Wielu naukowców prywatnie narzeka na misje naukowe, które były opóźnione i droższe, ponieważ zostały przeniesione z bezzałogowych pojazdów nośnych i zmuszone do stania się częścią naukowego uzasadnienia NASA dla wahadłowca.
Pomijając Hubble'a, co nazwałbyś naprawdę wspaniałymi osiągnięciami NASA w ciągu ostatnich 20 lat? Mój ulubiony: odkrycie, że każdy księżyc każdej planety znacząco różni się od każdego innego księżyca, wynik zupełnie nieoczekiwany i wciąż niezrozumiały. Można również wybrać niesamowity sukces satelitów pogodowych. Lub niezwykłe zdjęcia, które otrzymujesz z systemu telewizji satelitarnej. Wtajemniczeni mogą wybrać nasze systemy szpiegowskie w kosmos. Jest też GPS-Globalny System Pozycjonowania, używany do kierowania samolotami, łodziami, turystami, samochodami, a także żołnierzami i inteligentną bronią. Te projekty mają jedną wspólną cechę: wszystkie były bezzałogowe.
Po katastrofie w Columbii senator John McCain powiedział, że eksploracja kosmosu to misja, której USA nie zrezygnują. Mam nadzieję, że ma rację. Ale (i tutaj senator McCain może się różnić), taką eksplorację w ciągu następnej dekady lub dwóch może lepiej przeprowadzić za pomocą pojazdów bezzałogowych. Już wysyłamy roboty na Marsa. Planujemy sprowadzić próbki. Pewnego dnia możemy nawet wysłać tam astronautów. Ale nie spieszmy się z tym. Nowe teleskopy i instrumenty bezzałogowe powiedzą nam więcej o kosmosie niż orbitujący astronauci.
W kosmosie czeka nas przyszłość. Ostatecznie lot naddźwiękowy zostanie udoskonalony i będziemy mogli latać samolotami na orbicie. Ale nikt nie wie, kiedy będzie można rozmieścić wymagane silniki scramjet; wciąż są na etapie badań i rozwoju, z silnym naciskiem na R. Testy ujawniają krytyczną nową fizykę z każdą dodaną liczbą Macha, a hipersoniczne prototypy ledwo osiągnęły 5 machów. Orbita wymaga większej niż 18 machów.
Może najpierw uda się inne podejście. Rozwój ultra mocnych włókien węglowych może urzeczywistnić marzenie o kosmicznej windzie (dawniej zwanej skyhook), która pozwoli nam na powolną i bezpieczną jazdę w górę iw dół. Ale nauki jeszcze nie ma. Za 20 lat – kto wie?
Wielu w NASA wierzy, że przyszłość ich agencji zależy od kontynuowania i przedłużania lotów kosmicznych. Twierdzi się, że bez astronautów opinia publiczna straci zainteresowanie kosmosem. Myślę, że ten argument jest błędny. Niewielu Amerykanów wiedziało nawet, że wahadłowiec kosmiczny jest na orbicie – dopóki astronauci nie zginęli. Kiedy studenci, których znam z Berkeley, umieszczają na ścianach plakaty kosmiczne, nie są to plakaty astronautów. Są to obrazy obszarów, w których rodzą się gwiazdy, wybuchających gwiazd, niezwykle odległych i zniewalająco pięknych pól galaktyk. Wszystkie zostały zrobione instrumentami, które nie potrzebowały ludzi, aby dostać się w kosmos i wymagały ich nieobecności, aby wykonać stabilne zdjęcia.
Prom kosmiczny nie jest bezpieczny i nie będzie bezpieczny w przewidywalnej przyszłości. Czy korzystanie z niego jest warte straconych istnień? Musimy być uczciwi. Być może misje wahadłowe powinny być kontynuowane, ale jeśli tak się stanie, zróbmy to z pełną publiczną świadomością, że szansa na śmierć w każdej misji wynosi około 2 procent. Żołnierze idący do bitwy często akceptują ryzyko nawet większe. Astronauci zawsze wiedzieli o tym niebezpieczeństwie i postanowili to zaakceptować. Czy opinia publiczna może zaakceptować tak wysoki poziom? Nie wiem. Ale jakakolwiek jest decyzja, powinna być podjęta w szczerości i prawdzie. Prom kosmiczny to wielka inżynieria; to marzenie człowieka w kosmosie; to przygoda. Ale to nie jest bezpieczne, nie można tego uczynić bezpiecznym i nie jest to wielka nauka.